大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合研究

从半导体激光器的光参数积出发，给出了一种集光束准直、整形、聚焦及耦合的高功率半导体激光器阵列光束的光纤耦合方法。推导出了正交的两组准直微透镜阵列的面形公式；计算了准直光束的准直精度和聚焦光学系统参数。作为例子，给出一个光纤芯径为800μm，数值孔径0．37的光纤耦合高功率半导体激光器实验结果．其耦合效率大于53％。     

基于微透镜阵列的高效率光纤耦合系统设计

光纤耦合是半导体激光器集成光源进一步改善输出光束质量和远距离传输的重要手段。然而,由于半导体激光器单管体积和散热的限制,合成后激光光源的输出光束光参量积仍较大,不利于与单根多模光纤的耦合;直接与光纤束耦合又受到光纤束填充比的限制。针对多个半导体激光器单管集成的光源,采用倒置前端光学放大系统,对合成光束直径进行压缩;并采用六方排列的微透镜阵列作为耦合元件,使其光瞳成像在光纤端面,从而实现微透镜与光纤的一对一耦合,得到理论无损耗的高效光纤耦合系统。为了改善光场边缘像差影响,采用空心光管进一步匀化光场分布,且减小了边缘光线的发散角,提高了边缘光线的成像质量,优化后的系统耦合效率达98%。这一系统利用微透镜阵列将光束分束、成像,克服了集成光源输出光束光参量积较大不易与单根光纤耦合的缺点;通过使微透镜的入瞳成像在光纤端面,且光纤束的排列与微透镜阵列排列相同,提高了光束与光纤束的耦合效率。     

高功率阵列半导体激光器的光纤耦合输出

采用柱透镜对10单元阵列半导体激光器的输出光束进行了有效收集和预准直及多模光纤之间的耦合实验。激光器采用808nm波长、150μm条宽的发射单元,周期为1000μm,与200μm芯径平端光纤阵列的耦合效率高达75％,光纤输出功率7．5W,分析了影响耦合效率的主要因素。     

基于楔形微透镜补偿半导体激光阵列指向偏差

针对半导体激光阵列的发光单元指向性偏差导致快轴光束质量显著劣化的现象,研究了发光单元指向性偏差对快轴光束质量的影响,提出了一种利用微光学元件补偿发光单元指向性偏差的方法,设计了一种楔形微透镜阵列,可实现单个bar条的光束耦合进芯径200μm、NA=02的光纤。模拟计算结果表明,楔形微透镜阵列的补偿作用可使半导体激光阵列快轴方向的光参数积由6424mm·mrad下降到5814mm·mrad,光纤耦合效率达到956,相比补偿前提高了104。为降低工艺难度,采用分类补偿的方法,模拟光纤耦合效率达到915。考虑到工业应用,采用由三片楔形透镜组成的透镜组对分类后的发光单元光束分别进行补偿,测量得到的光纤耦合效率为904,比补偿光束指向性之前的耦合效率提高了约7。     

大气湍流中透镜阵列的空间光耦合效率研究

比较研究了基于Von Karman折射率谱下大气湍流中单透镜和与单透镜直径相同的透镜阵列的空间光到单模光纤耦合效率,并给出了相应表达式。设计了小口径透镜阵列的空间光-单模光纤耦合结构,证明采用阵列中每个透镜直径是空间相干半径2~3倍的结构具有最好的耦合效果。理论分析和实验结果表明:当通信距离足够远时,透镜阵列的耦合效果优于等口径耦合效果单透镜。     

主光轴平行于基底的微透镜阵列制作与测试

应用SU-8负性感光胶的独特性能,采用水浴倾斜紫外光刻的方法,优化工艺参数,构造出主光轴平行于基底的球面微透镜阵列,其单个透镜的直径约为200μm。利用激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)对微透镜的表面形貌及曲率半径进行测量,并搭建光学观测平台,测得透镜焦距并观察成像效果。经观测,所加工球面微透镜具有较好的表面形貌和成像效果。基于此方法加工的微透镜阵列,主光轴平行于基底,因而便于与其他光学系统进行片上集成,完成对光线的聚焦,最终实现光开关、扫描成像等功能。此微透镜阵列也将集成在微流式细胞仪上,用于样本流的荧光检测,可极大提高检测精度。     

自聚焦平板波导透镜及其应用

介绍了一种新颖的自聚焦平板波导透镜(SPWL),利用几何光学方法分析了它的光学特性,得出其传输矩阵,并进行了特殊的结构设计.介绍了实际制备这种透镜的工艺过程,并给出了光纤输出光束经1/4节距的自聚焦平板波导透镜之后输出的近场和远场光斑图,测试结果表明自聚焦平板波导透镜输出近场光斑在x-z平面内束宽为1 153.3μm,与根据传输矩阵计算得出的束宽1 153.2 μm相符;最后介绍了自聚焦平板波导透镜的三种应用实例:LD阵列和光纤的耦合、SOA与单模光纤的耦合、光功率分束器和直波导阵列波导光栅.     

液晶微透镜阵列直接成像

针对传统显微镜结构复杂且视场角小等问题，提出一种两路低电压驱动的液晶微透镜阵列结构，透镜的焦距由3个电极控制，中间电极为圆孔阵列图案电极，作为孔径光阑以阻止微透镜外的杂散光。对该阵列的波前和光焦度进行了测试，搭建了一套简易液晶微透镜阵列直接成像系统，每个微透镜都对待观察物体的不同区域成像，通过近平行光照明减小相邻微透镜间的串扰，拼接所有单元图像得到完整图像。该系统无需额外的光学器件，结构简单紧凑。液晶微透镜阵列具有大视场，成像区域具备可扩展性，为实现大视场下的简易显微成像提供了新思路。     

用于改善PtSi红外焦平面阵列器件响应特性的长焦距GaAs微透镜阵列器件的制作研究

提出了一种新的曲率补偿法用于长焦距微透镜阵列的制作.扫描电子显微镜(SEM)显示微透镜阵列为表面极为平缓的方底拱形阵列,表面探针测试结果显示用曲率补偿法制作的微透镜的焦距可达到3861.70μm,而常规光刻热熔法很难制作出焦距超过200μm的相同尺寸的微透镜阵列.微透镜阵列器件与红外焦平面阵列器件在红外显微镜下对准胶合,显著改善了红外焦平面阵列器件的响应特性.     

线列熔融石英微透镜阵列的光刻和氩离子束刻蚀制备

采用光刻和熔融成形法制备线列长方形供面光致抗蚀剂微透镜图形，采用固化技术对其作重整化处理，采用氩离子（Ar＋）束刻蚀有效地实现线列长方形拱面光致抗蚀剂微透镜图形阵列向熔融石英（SiO2）基片上转移。所制单元熔融石英微透镜底部的外形尺寸为300×95μm2，平均冠高14．3μm，平均曲率半径为86μm，平均焦距为258．1μm平均F／数2.7,平均大T／数2．9；平均光焦度5．8×10(－3)折光度。扫描电子显微镜（SEM）和表面探针测试表明，所制成的线列熔融石英微透镜阵列的图形整齐均匀，每个单元长方形拱面熔融石英微透镜的轮廓清晰，表面光滑平整。实验结果证实，光刻／氩离子束刻蚀技术适用于制备具有良好的均匀性和光学质量的单片熔融石英微透镜阵列器件，此技术对于制备与大面阵凝视焦平面成像探测器相匹配的大面降微透镜阵列具有重要意义。     

二元喇叭天线阵列的互耦研究

通过同轴线给天线馈电的方式,采用细导线FDTD方法模拟同轴线,研究了同轴传输线口径处内、外场之间的耦合,并分析了二元TEM喇叭天线阵的耦合问题,通过对单一喇叭进行馈电计算了天线阵单元的自阻抗和互阻抗.结果表明.在所考虑的频段内自阻抗和互阻抗不随频率的变化而变化,具有很好的宽带性能.     

线性阵列互耦矩阵和波达方向的联合估计

 针对线性阵列中因存在互耦效应导致很难直接估计信号波达方向的问题,结合线性阵列的阻抗特性,针对均匀线阵提出了一种计算量更小、稳健性更强的互耦矩阵和波达方向的联合估计方法.并把该方法推广到一般的线性阵列,解决了互耦条件下线阵的测向问题.仿真结果验证了这种新的联合估计方法在均匀线阵中的性能改进情况,以及向一般线阵扩展模型的可用性.     

Characteristic Aperture Modes for the Mutual Coupling Analysis in Finite Arrays of Aperture-Coupled Antennas

Calculation of mutual coupling in finite arrays of aperture-coupled antennas with an arbitrarily shaped aperture is seriously impeded by the number of unknowns necessary to describe the aperture field. Entire domain expansion functions are extracted numerically from the equation tha has to be satisfied by the equivalent magnetic current on the aperture of asingle antenna element by applying the well developed theory of Characteristic Modes. The resulting weighted eigenvalue equation gives an orthogonal set of eigenmodes which can be ordered according to their contribution in therealpower flow through the aperture. It is shown, that even for ‘near field’ quantities like S-parameters, only a limited number of characteristic modes is sufficient to characterize the electromagnetic coupling through the aperture. The procedure was used in a methodof moments code and results are compared to measurements and other calculations from literature.     

半导体激光列阵的高功率高亮度光纤耦合技术

设计了一种可同时实现高功率和高亮度激光输出的简单有效的光纤耦合技术.首先借助光纤列阵实现光束由线性排列到圆形排列的转换,从而有效提高半导体激光列阵输出光束的对称性;然后通过微透镜将光纤列阵输出的圆对称光束耦合进入一根较细的光纤,以进一步压缩光斑直径并提高光束亮度.基于几何光学的理论分析表明;在合适的参数条件下,直径为1.3 mm的光纤列阵输出光束与直径为0.4 mm的单根光纤的耦合效率可达90%以上,即在功率损耗低于10%情况下,激光束的亮度提高了近9倍.     

大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术

利用阶梯反射镜整形技术和偏振合束及波长合束技术成功将两只波长为808nm和两只波长为980nm的40W大功率半导体激光器光束进行混合,最后得到输出功率为95.8W、耦合效率为60%的双波长大功率半导体激光列阵单光纤耦合模块,光纤芯径为400μm,数值孔径为0.22.     

非理想馈电端口下的共形阵完备互耦分析与校正

针对非理想馈电端口下共形阵列天线的互耦分析和校正问题,该文提出“结构模式互耦”和“天线模式互耦”的概念,其二者的叠加共同导致了共形阵列的完备互耦效应.论文基于全波数值分析和微波网络理论,提出了共形阵列完备互耦的分析和校正方法.最后,通过全波数值仿真分析了非理想匹配馈电下的12元柱面微带共形阵列天线,有效验证了完备互耦校正方法的有效性.     

两均匀阵型在互耦影响下MUSIC算法的性能分析

阵列互耦会影响MUSIC算法的测向性能,为此通过利用均匀线阵和均匀圆阵互耦矩阵的特殊结构,给出了两种均匀阵型在互耦影响下的MUSIC算法方位估计均方误差的表达式。虽然文中给出的两种一阶分析方法的思想分别来源于文献[4]和[5],但是这里考虑到了两种均匀阵型互耦矩阵的特殊性质,并从不同的角度分析了互耦扰动对两种均匀阵型的影响。此外,文中的结论还表明,在该文阵列误差模型的条件下,两种一阶分析方法可以得到相同的均方误差的表达式。最后,仿真实验验证了测量值与理论值具有较好的一致性。     

波导平板裂缝天线阵的设计

利用商业软件HFSS的S参数仿真结果，采用等效网络法对矩形波导宽边纵缝进行互耦环境下的导纳计算；并利用天线远场幅度、相位方向图仿真结果，采用口径场反演方法，对阵中辐射缝参数进行修正。通过设计实例，验证了该方法非常适合于平板裂缝天线阵的设计，有效地提高了设计效率。     

任意阵及其方位估计方法浅析

在阵列设计和应用中,由于种种原因,阵元位置往往呈现非均匀分布,符合任意阵的特点。由任意阵的概念出发,分析了任意阵概念提出的背景,选取几种典型的可用于任意阵的方法,对其各自的优缺点进行了探讨。